Infrasarkanā termogrāfija un termiskā attēlveidošana
Virsmas temperatūras mērīšanu, fiksējot tās izstarotā siltuma starojuma parametrus, izmantojot elektrooptiskās ierīces, sauc par infrasarkano termogrāfiju. Kā jau nojaušat, šajā gadījumā siltums tiek pārnests no pētāmās virsmas — uz mērierīci formā infrasarkanie elektromagnētiskie viļņi.
Mūsdienu elektrooptiskās ierīces infrasarkanajai termogrāfijai var izmērīt infrasarkanā starojuma plūsmu un, pamatojoties uz iegūtajiem datiem, aprēķināt virsmas temperatūru, ar kuru mijiedarbojas mērīšanas iekārta.
Protams, cilvēks spēj sajust infrasarkano starojumu un pat var sajust temperatūras izmaiņas grāda simtdaļās ar nervu galiem uz ādas virsmas. Taču ar tik augstu jutību cilvēka organisms nav pielāgots salīdzinoši augstas temperatūras noteikšanai ar tausti, nekaitējot veselībai. Labākajā gadījumā tas ir pilns ar apdegumiem.
Un pat ja cilvēka jutība pret temperatūru izrādīsies tikpat augsta kā dzīvniekiem, kas pilnīgā tumsā spēj atklāt laupījumu ar karstumu, tomēr agrāk vai vēlāk viņam būs vajadzīgs jutīgāks instruments, kas spēj darboties plašākā temperatūras diapazonā nekā dabiskā fizioloģija. ļauj...
Galu galā šāds rīks tika izstrādāts. Sākumā tās bija mehāniskas ierīces, bet vēlāk paaugstinātas jutības elektroniskās ierīces. Mūsdienās šķiet, ka šīs ierīces ir parastie atribūti, kad ir jāveic termiskā kontrole, lai atrisinātu kādu no neskaitāmajām tehniskajām problēmām.
Pats vārds "infrasarkanais" jeb saīsināti "IR" apzīmē karstuma viļņu atrašanās vietu "aiz sarkanā" atbilstoši to atrašanās vietai visplašākā elektromagnētiskā starojuma spektra skalā. Kas attiecas uz vārdu "termogrāfija", tas ietver "termo" - temperatūra un "grafiskais" - attēls - temperatūras attēls.
Infrasarkanās termogrāfijas pirmsākumi
Pamatus šim pētījumu virzienam lika vācu astronoms Viljams Heršels, kurš 1800. gadā veica pētījumus ar saules gaismas spektriem. Izlaižot saules gaismu caur prizmu, Heršels ievietoja jutīgu dzīvsudraba termometru dažādu krāsu zonās, uz kurām krīt saules gaisma. uz prizmas, tika sadalīts.
Eksperimenta laikā, kad termometrs tika pārvietots ārpus sarkanās līnijas, viņš atklāja, ka ir arī kāds neredzams, bet ar manāmu sildošo efektu, starojums.
Radiācija, ko Heršels novēroja savā eksperimentā, atradās tajā elektromagnētiskā spektra reģionā, kuru cilvēka redze neuztvēra kā krāsu.Tas bija "neredzamā siltuma starojuma" apgabals, lai gan tas noteikti atradās elektromagnētisko viļņu spektrā, bet zem redzamā sarkanā.
Vēlāk vācu fiziķis Tomass Zēbeks atklāja termoelektrību, bet 1829. gadā itāļu fiziķis Nobili uz pirmo zināmo termopāru bāzes izveidoja termopili, kuras darbības princips būtu balstīts uz faktu, ka, mainoties temperatūrai starp diviem dažādiem metāliem, attiecīgi potenciālu starpība rodas ķēdes galos, kas sastāv no šiem...
Meloni drīz izgudros t.s Termopile (no sērijveidā uzstādītām termopāļiem) un noteiktā veidā uz to fokusējot infrasarkanos viļņus, varēs noteikt siltuma avotu 9 metru attālumā.
Termoelements — termoelementu seriāls savienojums, lai iegūtu lielāku elektrisko jaudu vai dzesēšanas jaudu (attiecīgi strādājot termoelektriskā vai dzesēšanas režīmā).
Samuels Lenglijs 1880. gadā atklāja govi karstumā 300 metru attālumā. Tas tiks darīts, izmantojot balometru, kas mēra elektriskās pretestības izmaiņas, kas ir nesaraujami saistītas ar temperatūras izmaiņām.
Viņa tēva pēctecis Džons Heršels 1840. gadā izmantoja iztvaikošanas ierīci, ar kuru viņš ieguva pirmo infrasarkano attēlu atstarotajā gaismā, pateicoties iztvaikošanas mehānismam dažādos visplānākās eļļas plēves ātrumos.
Mūsdienās termoattēlu attālinātai iegūšanai tiek izmantotas īpašas ierīces — termovizori, kas ļauj iegūt informāciju par infrasarkano starojumu bez saskares ar pētāmo iekārtu un tūlītēju vizualizāciju. Pirmie termovizori bija balstīti uz fotorezistīviem infrasarkanajiem sensoriem.
Līdz 1918. gadam American Keys veica eksperimentus ar fotorezistoriem, kur viņš saņēma signālus to tiešās mijiedarbības ar fotoniem dēļ. Tādējādi tika izveidots jutīgs termiskā starojuma detektors, kas darbojas pēc fotovadītspējas principa.
IR termogrāfija mūsdienu pasaulē
Kara gados lielgabarīta termovizori galvenokārt kalpoja militāriem mērķiem, tāpēc pēc 1940. gada termiskās attēlveidošanas tehnoloģijas attīstība paātrinājās. Vācieši atklāja, ka, atdzesējot fotorezistora uztvērēju, var uzlabot tā īpašības.
Pēc 60. gadiem parādījās pirmie portatīvie termovizori, ar kuru palīdzību tiek veikta ēku diagnostika. Tie bija uzticami rīki, taču ar sliktas kvalitātes attēliem. 80. gados termoattēlveidošanu sāka ieviest ne tikai rūpniecībā, bet arī medicīnā. Termiskās kameras tika kalibrētas, lai iegūtu radiometrisku attēlu — visu attēla punktu temperatūru.
Pirmās ar gāzi dzesētās termokameras rādīja attēlu melnbaltā CRT ekrānā ar katodstaru lampu. Jau toreiz varēja ierakstīt no ekrāna uz magnētiskās lentes vai fotopapīra. Lētāki termokameru modeļi ir balstīti uz vidikona caurulēm, tiem nav nepieciešama dzesēšana un tie ir kompaktāki, lai gan termiskā attēlveidošana nav radiometriska.
Līdz 90. gadiem matricas infrasarkanie uztvērēji kļuva pieejami civilai lietošanai, tostarp taisnstūra infrasarkano staru uztvērēju bloki (jutīgie pikseļi), kas uzstādīti ierīces objektīva fokusa plaknē. Tas bija būtisks uzlabojums salīdzinājumā ar pirmajiem skenējošajiem IR uztvērējiem.
Ir uzlabojusies termisko attēlu kvalitāte un palielinājusies telpiskā izšķirtspēja. Vidējiem mūsdienu matricas termouztvērējiem ir uztvērēji ar izšķirtspēju līdz 640 * 480 — 307 200 mikro-IR uztvērējiem. Profesionālām ierīcēm var būt augstāka izšķirtspēja — vairāk nekā 1000 * 1000.
IR matricas tehnoloģija attīstījās 2000. gados. Ir parādījušies termoattēli ar garu viļņu garuma darbības diapazonu — uztverot viļņu garumus no 8 līdz 15 mikroniem un vidējus viļņu garumus —, kas paredzēti viļņu garumiem no 2,5 līdz 6 mikroniem. Labākie termovizoru modeļi ir pilnībā radiometriski, tiem ir attēla pārklājuma funkcija un jutība ir 0,05 grādi vai mazāka. Pēdējo 10 gadu laikā to cena ir samazinājusies vairāk nekā 10 reizes, un kvalitāte ir uzlabojusies. Visi mūsdienu modeļi var mijiedarboties ar datoru, analizēt pašus datus un sniegt ērtus pārskatus jebkurā piemērotā formātā.
Siltumizolatori
Termoizolators ietver vairākas standarta daļas: objektīvu, displeju, infrasarkano staru uztvērēju, elektroniku, mērīšanas vadības ierīces, atmiņas ierīci. Dažādu daļu izskats var atšķirties atkarībā no modeļa. Termokamera darbojas šādi. Infrasarkano starojumu optika fokusē uz uztvērēju.
Uztvērējs ģenerē signālu sprieguma vai mainīgas pretestības formā. Šis signāls tiek padots uz elektroniku, kas uz ekrāna veido attēlu — termogrammu.Dažādas krāsas ekrānā atbilst dažādām infrasarkanā spektra daļām (katrs tonis atbilst savai temperatūrai), atkarībā no siltuma sadalījuma rakstura uz objekta virsmas, ko pārbauda termovizors.
Displejs parasti ir mazs, ar augstu spilgtumu un kontrastu, kas ļauj redzēt termogrammu dažādos apgaismojuma apstākļos. Papildus attēlam displejā parasti tiek parādīta papildu informācija: akumulatora uzlādes līmenis, datums un laiks, temperatūra, krāsu skala.
IR uztvērējs ir izgatavots no pusvadītāju materiāla, kas ģenerē elektrisko signālu infrasarkano staru ietekmē, kas uz to krīt. Signālu apstrādā elektronika, kas displejā veido attēlu.
Kontrolei ir pieejamas pogas, kas ļauj mainīt izmērīto temperatūru diapazonu, pielāgot krāsu paleti, atstarošanas un fona emisiju, kā arī saglabāt attēlus un atskaites.
Digitālo attēlu un pārskatu faili parasti tiek saglabāti atmiņas kartē. Dažiem termovizoriem ir funkcija ierakstīt balsi un pat video vizuālajā spektrā. Visus digitālos datus, kas saglabāti termiskās attēlveidošanas kameras darbības laikā, var skatīt datorā un analizēt, izmantojot termiskās attēlveidošanas kameras komplektācijā iekļauto programmatūru.
Skatīt arī:Bezkontakta temperatūras mērīšana elektroiekārtu darbības laikā